Электропитание ЭВМ.-6

130

Эксплуатационные свойства параллельного соединения конверторов могут быть улучшены путем использования дополнительных внешних компонентов, например:

последовательных диодов на каждом выходе для развязки отдельных выходов с целью повышения общей надежности,

последовательных выходных фильтров для сглаживания пульсаций и помех или для улучшения динамических свойств выходных характеристик.

3.3 ИВЭП с бестрансформаторным входом

Рассматриваемые в этом подразделе ИВЭП питаются от одно- либо трехфазных сетей переменного тока. Особенностью их является непосредственное выпрямление высокого низкочастотного переменного напряжения (без применения сетевого трансформатора) и наличие в структуре промежуточного звена повышенной частоты (на повышенной частоте и работает трансформатор). ИВЭП с бестрансформаторным входом используются при выходных мощностях от десятков ватт и выше.

Распространение получили две структуры построения: на основе регулируемого и нерегулируемого инверторов. Эти структуры представлены соответственно на рис. 3.31, а, б.

б

Рис. 3.31

131

Достоинство первой структуры — более простая схема за счет отсутствия непосредственного преобразователя постоянного напряжения. К достоинствам второй структуры можно отнести следующее. Во-первых, инвертор имеет меньшую расчетную мощность, т.к. работает на стабилизированном напряжении. Вовторых, выходной фильтр (работающий на низком напряжении и больших токах) должен сглаживать минимум пульсаций, обусловленных лишь коммутационными паузами в работе нерегулируемого инвертора, а основные пульсации сглаживает фильтр преобразователя постоянного напряжения. Так как последний работает на повышенном напряжении, его масса и объем значительно меньше, чем у выходного фильтра в первой структуре при одних и тех же уровнях выходного напряжения и тока.

Сетевой выпрямитель выполняет функции выпрямления напряжения сети и сглаживания низкочастотных пульсаций, бесперебойность подачи энергии в нагрузку при кратковременных провалах напряжения сети ниже допустимого уровня и уменьшает уровень помех за счет применения помехоподавляющих фильтров.

Так как особых требований к сглаживанию низкочастотных пульсаций нет (их регулирующий элемент в структуре, работающий на повышенной частоте, воспринимает как нестабильность, т.е. изменение входного напряжения), а также учитывая высокий уровень выпрямленного напряжения, фильтр во входном выпрямителе выполняется всегда емкостным.

Важной задачей в ИВЭП с бестрансформаторным входом является выполнение функции ограничения тока заряда конденсатора входного выпрямителя при включении. Бросок зарядного тока конденсатора при подключении его непосредственно к сети через выпрямитель чрезвычайно велик — десятки и сотни ампер. Этот режим является недопустимым как по причине мгновенной перегрузки сети из-за ограниченной мощности первичного источника энергии, так и по причине опасности выхода из строя диодов выпрямителя и недопустимости протекания больших токов через обкладки самих электролитических конденсаторов.

Для ограничения уровня зарядного тока на период пуска источника в последовательную с конденсатором цепь включают ограничивающий ток элемент. Пример показан на рис. 3.32.

Рис. 3.32

В исходном состоянии тиристор VS выключен и при замыкании переключателя S происходит заряд конденсатора С через токоограничительный резистор R. Когда напряжение на конденсаторе достигнет заданного уровня, с устройства управления подается сигнал Uупр на включение инвертора. При запуске инвертора с дополнительной обмотки трансформатора TV поступает напряжение на управляющий электрод тиристора. Он открывается, шунтирует резистор R и остается в этом состоянии до тех пор, пока работает инвертор. Потери на открытом тиристоре малы и практически не влияют на КПД ИВЭП. Вместо тиристора могут использоваться электромагнитное реле или транзистор.

Основное звено ИВЭП с бестрансформаторным входом — инвертор — выполняется обычно по двухтактным мостовой или полумостовой схеме, в также по схеме сдвоенных однотактных прямоходовых преобразователей.

Питание системы управления инвертором может осуществляться как от отдельного источника собственных нужд, выполненного на маломощном сетевом трансформаторе и линейном интегральном стабилизаторе, так и с выхода самого ИВЭП. Пример организации последнего варианта для полумостового инвертора показан на рис. 3.33.

Входное выпрямленное напряжение сети подается на делитель, содержащий резисторы R4—R1. Этот делитель является базовым для обоих силовых транзисторов VT1 и VT2. Под воздействием суммарного напряжения Uвх на конденсаторах С6, С7 начи-

133

нает протекать ток по базовым цепям транзисторов, содержащим компоненты: положительный вывод конденсатора С6; резисторы R4, R8; переход база-эмиттер транзистора VT1; резисторы R6, R9; переход база-эмиттер транзистора VT2; общий провод отрицательной цепи; отрицательный вывод конденсатора С7. Этот ток приоткрывает оба транзистора, в результате чего через выводы 1, 2 трансформатора TV2 начинают протекать токи взаимно противоположных направлений.

Рис. 3.33 — Схема питания с самовозбуждением ИВЭП типа GT-150W

Ток через транзистор VT1 протекает по цепи: положительный вывод конденсатора С6; шина +310 В; переход коллекторэмиттер транзистора VT1; выводы 5, 6 трансформатора TV1; выводы 1, 2 трансформатора TV2; конденсатор С5; отрицательный вывод конденсатора С6.

Ток через транзистор VT2 протекает по цепи: положительный вывод конденсатора С7; конденсатор С5; выводы 2, 1 транс-

134

форматора TV2; выводы 6, 5 трансформатора TV1; переход кол- лектор-эмиттер транзистора VT2; общий провод отрицательной цепи; отрицательный вывод конденсатора С7.

При равенстве токов, протекающих в противоположных направлениях через дополнительные (пусковые) витки 5, 6 трансформатора TV1, результирующий ток равен нулю и устройство не может запуститься. Такой режим существует только теоретически. В реальных устройствах всегда имеет место технологический разброс коэффициентов усиления по току транзисторов VT1, VT2, поэтому транзисторы приоткрыты в различной степени. В результате ток одного из транзисторов больше тока другого, результирующий ток через витки 5, 6 трансформатора TV1 отличен от нуля и протекает в одном из направлений.

Если транзистор VT2 приоткрыт в большей степени, чем VT1, то ток протекает от вывода 6 к выводу 5 трансформатора TV1. Если в большей степени приоткрыт транзистор VT1, то ток протекает от вывода 5 к выводу 6. Рассмотрим работу устройства для последнего случая.

При протекании тока через витки 5, 6 трансформатора TV1 появляется напряжение на всех обмотках этого трансформатора. Потенциал вывода 4 становится выше потенциала вывода 5. Под действием разности этих потенциалов в базу транзистора VT1 течет ток по цепи: вывод 4 трансформатора TV1; диод VD2; резистор R2; резистор R8; переход база-эмиттер транзистора VT1; вывод 5 трансформатора TV1. Этот ток дополнительно приоткрывает транзистор VT1.

В это же время потенциал вывода 7 трансформатора TV1 становится ниже потенциала вывода 8 и запирает транзистор VT2. Далее начинает проявляться действие положительной обратной связи. Оно заключается в том, что при увеличении тока через переход коллектор-эмиттер транзистора VT1 и витки 5, 6 трансформатора TV1 на витках 4, 5 возрастает напряжение, которое еще в большей степени приоткрывает транзистор VT1, создавая дополнительный ток в его базовой цепи. Этот процесс развивается лавинообразно в течение короткого времени и приводит к полному открыванию транзистора VT1 и запиранию VT2. Через открытый транзистор VT1 и первичную обмотку (выводы 1, 2) трансформатора TV2 начинает линейно нарастать ток, что приводит к появ-

135

лению импульса напряжения на всех обмотках этого трансформатора. Импульс напряжения с выводов 7, 5 заряжает накопительный конденсатор С1. Напряжение с конденсатора С1 подается на вход электропитания схемы управления и согласующий каскад.

Схема управления запускается и генерирует прямоугольные последовательности импульсов, которые подаются на согласующий каскад. Последний осуществляет переключение транзисторов VT1, VT2. На всех обмотках трансформатора TV2 появляются напряжения номинального уровня. При этом напряжения с обмоток 3, 5 и 7, 5 постоянно подзаряжают конденсатор С1, поддерживая неизменным уровень напряжения. Таким образом, контур обратной связи обеспечивает электропитание схемы управления в режиме самоподпитки и источник выходит на рабочий режим.

Некоторые исполнения ИВЭП рассчитаны на различные входные напряжения сети (как правило, 220 или 110 В). Для учета напряжения в источниках используется либо механический переключатель 220/110 В, либо схема автоматического распознавания номинала сетевого напряжения.

Переключатель 220/110 В (или 230/115 В) должен находиться в разомкнутом состоянии при напряжении 220 В (рис. 3.34, а). В этом случае выпрямление осуществляется мостовой схемой, которая подзаряжает оба конденсатора инвертора С1 и С2 одновременно. При напряжении сети 110 В переключатель должен находиться в замкнутом состоянии. Выпрямление в этом случае осуществляется по схеме удвоения напряжения и конденсаторы С1 и С2 подзаряжаются по очереди в разные полупериоды сетевого напряжения (рис. 3.34, б). В режиме удвоения напряжения диоды VD3, 4 не работают.

Рис. 3.34

136

Схема автоматического распознавания номинала сетевого напряжения показана на рис. 3.35 и работает следующим образом. Во входную цепь источника включено пороговое устройство, содержащее схему управления (транзисторы VT1, VT2; стабилитроны VD3, VD4) и исполнительный компонент (симистор VS1). Последний выполняет функции переключателя. Электропитание схемы осуществляется от выпрямителя (диод VD2) со сглаживающим фильтром (конденсатор С3).

Рис. 3.35 — Схема автоматического распознавания номинала сетевого напряжения

Конденсаторы С2 и С3 образуют емкостный делитель, причем на емкости С2 гасится большая часть сетевого напряжения. Диод VD1 обеспечивает прохождение тока перезаряда емкости С2. Стабилитрон VD3 является первичным пороговым компонентом схемы.

При отрицательной полуволне сетевого напряжения ток может проходить от нижнего входного вывода через переход эмит- тер-база транзистора VT2 к катоду стабилитрона VD3, далее через резистор R3 и диод VD5 к верхнему входному выводу. Пробивное напряжение стабилитрона VD3 выбирается таким, что при напряжении сети 110 В он находится в закрытом состоянии. При этом закрыты также транзисторы VT2 и VT1 триггерной схемы, а напряжение конденсатора С3 через резисторы R6 и R2 приложено к стабилитрону VD4.

137

У стабилитрона VD4 пробивное напряжение ниже по сравнению с напряжением на конденсаторе С3. Поэтому стабилитрон пробивается и ток проходит по цепи: положительный вывод конденсатора С3; управляющий переход симистора VS1; стабилитрон VD4; резистор R2; отрицательный вывод конденсатора С3. Симистор при этом открывается и соединяет среднюю точку конденсаторов полумостовой схемы инвертора с нулевым (нижним) выводом сети. Таким образом, выпрямление производится по схеме удвоения.

При напряжении сети 220 В стабилитрон VD3 открывается в первый отрицательный полупериод сетевого напряжения, и ток протекает по цепи: нулевой вывод сети; переход эмиттер-база транзистора VT2; стабилитрон VD3; резистор R3; диод VD5; фазный (верхний) вывод сети. Транзисторы VT1 и VT2 триггерной схемы переходят в режим насыщения и закорачивают стабилитрон VD4. Запасенная в конденсаторе С3 энергия рассеивается резистором R2, благодаря чему потенциалы анода и катода стабилитрона VD4 отличаются незначительно и он закрывается. Через управляющий переход симистора VS1 ток не проходит, и он остается в закрытом состоянии. При этом происходит двухполупериодное выпрямление сети диодами VD5—VD8.

Для управления двухтактными инверторами используются производимые разными фирмами микросхемы ШИМ-контрол- леров, которые во многом аналогичны по внутренней схемотехнике и своим возможностям. Рассмотрим применение достаточно распространенной микросхемы TL494 фирмы TEXAS INSTRUMENTS (рис. 3.36 и табл. 3.6).

Таблица 3.6 — Назначение выводов микросхемы TL494

Рис. 3.36 — Структурная схема микросхемы TL494

Типовая схема включения микросхемы в ИВЭП с полумостовым инвертором приведена на рис. 3.37, временные диаграммы — на рис. 3.38.

139

Рис. 3.37 — Типовая схема включения микросхемы TL494

На схеме конденсатор С4 и резистор R6 — элементы времязадаюшей цепи генератора, резисторы R3, R4, конденсатор С2 и конденсатор С1 образуют цепи коррекции усилителей ошибки 1 и 2 соответственно.

Для реализации двухтактного режима работы преобразователя вход управления выходными каскадами (вывод 13) соединен с источником эталонного напряжения (вывод 14). С выводов 8 и 9 микросхемы управляющие импульсы поступают в базовые цепи транзисторов преобразователей.

Опорное напряжение для усилителей ошибок формируется также от источника эталонного напряжения, для чего инвертирующие входы усилителей через резисторы Rl, R2 соединены с выводом 14 микросхемы.

На неинвертирующий вход усилителя ошибки 1 (вывод 1) информация о выходном напряжении источника поступает с делителя R11, R12. С резистора R9 на инвертирующий вход усилителя ошибки 2 поступает информация о токе в нагрузке.